利用ICESat-2激光测高监测长江三峡水位变化
郭孝祖1，金双根1,2
(1.南京信息工程大学 遥感与测绘工程学院，南京 210044；
2.中国科学院 上海天文台，上海 200030)
摘 要 ：为了利用ICESat-2卫星激光测高数据监测长江三峡水位变化，该文利用ICESat-2卫星的全球内陆水体高程数据(ATL13)，提取水面激光足迹点并剔除高程异常值和系统误差，对长江三峡流域重庆市巫山县至湖北省宜昌市的水位变化进行了研究，并利用水文站的实测水位对结果进行了验证。结果表明，长江三峡水位具有明显的季节变化，上半年水位降低，下半年水位升高。通过与实测水位对比分析，其平均误差为 0.10 m，均方根误差为 0.12 m，相关系数为0.999。表明ICESat-2激光测高数据可以高精度地监测长江三峡的水位变化。
0 引言
长江是中国最大的河流，全长约6 300 km。长江三峡西起重庆市奉节县白帝城，东至湖北宜昌市南津关，全长193 km。长江三峡流域是我国洪涝灾害十分频繁的区域，不但峡内河段水位变化很大，峡内、峡外不同河段的水位变化差异也很大。而相比其他信息，水位信息能够更为准确地刻画和表现水系的定量变化及敏感程度[1],河流水位变化可以作为研究气候变化和生态环境变化的重要指标。因此，加强水位监测能力，精确监测河流水位变化，对长江流域防洪减灾、水资源开发利用、生态环境保护以及认识流域水文变化机制等具有重要意义。
传统的水位测量，主要通过在固定地点的水文站点连续观测的方式获取，该方法需要大量的人力、物力，以及资金支持，而地域偏远、人烟稀少的地区，常规的水文观测方法无法提供有效、持续的水位观测值[2]。遥感技术和全球导航卫星系统是获取水文信息的重要手段，随着空间技术的不断进步，机载激光雷达和全球导航卫星系统正成为探测地表水和地下水的重要手段。全球导航卫星系统反射计可以探测海洋、陆地，以及冰雪表面的变化，获取水位和陆地蓄水信息[3-4]，卫星测高技术也广泛应用于极地区冰盖监测、森林树高反演、湖泊海洋水位变化监测[5]。目前，比较常用的卫星测高数据包括Jason-1/2/3、TOPEX/Poseidon、Envisat/RA-2、CryoSat、ICESat/GLAS等[6]。然而，这些测高数据的分辨率仍然很低，不能满足长江三峡水位变化监测的要求。
冰、云和陆地高程2号卫星（ICESat-2）于2018年9月发射，搭载光子计数激光高度计，为内陆水位的变化监测提供了一种有效的方法。文献[7]利用ICESat/GLAH14和ICESat-2/ATL13数据提取丹江口水库水位变化数据，并利用水位站实测水位对其进行了验证，ICESat/GLAH14数据估算水位精度为16 cm，ICESat-2/ATL13数据估算水位精度为10 cm。文献[8]使用ICESat-2 ATL13对湖泊和水库水位变化进行了全球估算和评估，与不同区域的实测数据相比，该方法具有较高的精度。文献[9]利用ICESat-2的激光高度计和CryoSat-2的雷达高度计研究了2010-2020年纳木错的湖面水位。结果表明，ICESat-2的结果优于CryoSat-2的结果，ICESat-2 的测量不确定度显著降低。
相比传统的水文站测量水位，卫星测高方法能实现大范围、周期性、低成本监测湖库水位，在一定程度上能弥补部分区域监测资料不足的缺点[10]。激光测高卫星的激光脚点比较小，具有较高的精度和准确性，其应用于水位变化监测的可行性和精度都已经得到大量验证。但目前基于卫星测高数据的水位变化监测的研究多应用于湖泊或者水库等，在内陆河流水位监测方面的研究只有极少数。为进一步探讨卫星测高数据应用于河流水位变化监测的研究，本文利用2018年10月—2021年7月的ICESat-2/ATL13数据，监测长江三峡上下游的水位变化，利用水文站点的实测数据对其进行了验证，分析其精度和影响因素，并对水位的变化趋势进行讨论与分析。
1 ICESat-2卫星测高技术
2018年9月发射的ICESat-2卫星，搭载了一个改进的先进地形激光高度计系统（ATLAS），利用光子计数激光雷达和辅助系统（全球定位系统和恒星照相机）来测量光子从 ATLAS 到地球再返回所需的时间，并确定光子的大地纬度和经度。该系统由一个具有三对光束的低能量、微脉冲、多光束、高分辨率光子计数激光高度计组成。每一对光束的间隔大约为90 m，由一个高能（100 mJ）光束和一个低能（25 mJ）光束组成，仪器脉冲频率为 10 kHz，标称地面速度约为 7 000 m/s，允许每 70 cm 进行一次观测[11]。
来自 ATLAS的激光脉冲衍射分光为六束后出射到地面上，当 ICESat-2 绕地球轨道运行时，6条光束追踪到6条地面轨迹，轨迹通常宽约 14 m。每个地面轨迹都根据生成激光光斑的顺序进行编号，最左侧为地面轨迹1L（GT1L），最右侧为地面轨迹3R（GT3R）。每对光束的左右点在横向轨道方向上相距约 90 m，在沿轨方向上相距约 2.5 km。成对轨道在横向轨道方向上相距约3 km。ATLAS测高激光束与足迹分布如图1所示[12]。
ICESat-2数据包括Level-1、Level-2、Level-3A、Level-3B 4个级别共21种产品，本文所用的ICESat-2数据为Level-3A级产品内陆水体高程产品ATL13，2018年10月—2020年11月的数据版本为Version3,2020年11月—2021年7月的数据版本为Version4。该产品数据为沿内陆水体的水面高度，水体包括湖泊、水库、海湾、河口和河流，加上7 km的近岸缓冲区，数据主要包含了时间、经度、纬度、水面高程和大地水准面差距等信息。水面高程为相比WGS84参考椭球的大地高和基于EGM2008重力场模型定义的正高[13]。
2 数据和方法
2.1 数据来源
研究区域选取了长江三峡流域从重庆市巫山县到湖北省宜昌市的部分，地理范围为30.64°~31.07° N，109.9°~111.35° E，时间范围为2018年10月—2021年7月，其激光脚点的分布如图2所示，数据来源为美国地球数据中心 ( https://search.earthdata.nasa.gov/search )。
本文还用到了长江的矢量地图，用来对原始的ICESat-2/ATL13数据进行裁剪，以及长江三峡流域巫山站、巴东站、三峡站的水文站点实测水位数据，来源为湖北省水文水资源中心(http://slt.hubei.gov.cn/sw/)，根据卫星过境日期查询得到每一期实测数据，用来对ICESat-2数据进行验证分析。
2.2 计算方法
下载得到的ICESat-2/ATL13数据是shapefile文件格式，在ArcGIS中分别导入6个数据组“/gtx”的正高数据（ht_ortho），利用长江三峡底图对其进行裁剪，获取长江三峡52期ICESat-2有效数据。因为ATL13产品为经过校正后的水体高程数据，所以不需要对其进行其他的参数改正，提取出裁剪之后的数据包括激光脚点的经度、纬度、时间、高程等信息，其地理坐标系为WGS84，高程为基于EGM2008重力场模型计算的高程[13]。
通过ICESat-2得到的水位为基于EGM2008重力场模型定义的正高，而我国一般水文观测系统所使用的高程系统为正常高，本文所用验证数据为吴淞高程系统，为了进行水位验证，需要将ICESat-2测得的水位和水文站点实测水位统一到同一个高程系统，即消除高程基准误差。而该高程基准误差因不同区域重力势不同而不是一恒定量，因此要消除二者之间的高程基准误差需要构建严密的转换模型。而ATL13测高所得水位与实测水位变化趋势基本一致，相关性达0.99，因此二者之间的高程差异主要是因为系统误差导致的。
预处理提取出的高程数据中存在一些高程异常点需要被去除，通常情况下，ICESat-2内陆水体高程测量的精度优于7 cm，取小于3倍值作为激光脚点的高程异常范围（20 cm）。将高程波动超过此范围的点,认为是高程异常点并剔除掉。对每一轨道的数据，具体剔除步骤为：①计算所有足迹点的平均水面高程值，将与平均值的差值大于1 m的点删除，计算剩余点的平均高程值，再用同样的方法依次去除差值大于0.5 m的点；②计算剩余点的均方差，去除高程值与平均值的差值大于均方差的点，当ICESat-2数据均方差小于0.2 m时，令其为0.2 m；③重复第二步，直到剩余点的数量小于10或少于总足迹点数的40%，剩余点的平均高程即为ICESat-2估计的水位结果。
3 结果与分析
3.1 水位变化
研究范围内的三峡大坝位置如图2所示，三峡大坝水位落差超过110 m。因此，以三峡大坝为界将其分成两段分别讨论分析，即三峡上游区域和三峡下游区域。通过以上处理步骤，得到长江三峡2018年10月—2021年7月的水位结果，再计算与实测水位的差值得到误差。构建三峡上下游水位变化曲线结果如图3和图4所示。
由图5可知，三峡上游区域ICESat-2测量的水位与三峡水库实测水位相比，水位变化趋势是相同的，水位变化曲线基本重合。在2019—2021年，水位变化规律比较明显，在趋势上总体呈现上半年水位下降，下半年水位上升的趋势。春季水位下降比较平缓，约10 m；夏季水位下降比较迅速，可达20 m；秋冬季水位明显上升至最高水位，可能受人类活动的影响，2020年8月水位有短暂的下降（约4 m），后又开始明显上升。一年中，10—12月水位到达最高值约175 m，6—8月水位下降到最低值约145 m。年内水位最大变化约30 m，年际水位变化比较小，2019—2020年年平均水位下降约4.4 m。且三峡工程设计水位最低约145 m，最高约为175 m，年最大水位变化为30 m。三峡上游水位变化规律正好符合三峡工程的设计水位。
长江三峡下游区域，2019年4—8月水位持续上升至66.3 m，到11月份水位持续下降到约64.5 m，到2020年8月中旬水位再上升到约68.6 m，到2021年4月份水位一直呈下降趋势。其中，2019年5月和2020年8月水位有两次明显的迅速上升，查询湖北省水文水资源中心雨量信息资料得知此期间降雨量比较大（http://slt.hubei.gov.cn/sw/），因此可能是降雨的原因。2019—2020年，三峡下游的水位整体呈现上升的趋势。由于上下游均存在水坝的原因，此区域水位变化略小，水位在64~69 m，在秋季降雨比较多，水位可能会出现短暂的迅速上升，雨季之后水位又会回落。年内水位最大变化5 m，2019—2020年平均水位上升约0.6 m。
长江三峡上下游的水位呈季节性变化，受其流域支流、水库、涵闸、降雨、蒸发量等众多因素共同影响。首先，三峡地区2019年上半年降雨约700 mm，下半年降雨约1 150 mm；2020年上半年降雨约980 mm，下半年降雨约2 220 mm。由此可知，下半年比上半年降雨多，2020年比2019年降雨多，降雨量的变化是水位变化的主要影响因素。其次，温度越高，气压越大，蒸发量就越大。不同季节蒸发量的变化，对水位也有影响。除此之外，人类活动对水位也有影响，例如：①从河流和地下含水层以及湖泊中直接提取用水，减少了长江干流及其支流的地下水量，改变了水文情势；②土地利用的变化，如森林的砍伐和营造、垦殖、草场放牧、沼泽疏干、农田灌溉等，活动的范围或尺度很大，对河流和各种水体数量及时空分布的影响相当广泛；③水利工程措施，如兴建蓄水库、蓄洪区、防洪堤坝、建水闸和大型水电站、航道整治、修建排灌站、河网化以及跨流域引水等，均可直接改变河湖水流、地下水水文情势及水量与时空分布特征。
3.2 精度分析
长江三峡区域主河道安装有巫山站、巴东站、三峡水库站等水文站，可实时记录水位、水流量等数据。利用ICESat-2卫星测高数据计算的水位，通过与水文站实测水位进行对比分析，如图5所示；计算二者的差值作为误差，绘制误差分布直方图如图7所示；计算二者的互相关性和相关系数，并绘制互相关图，见图6；计算其均方根误差和平均误差，验证其精度。
ICESat-2测量的水位和实测水位结果相关性如图6所示，其相关系数为0.999，由图可得ICESat-2测量水位与水文站实测水位的相关性非常高。计算误差分布直方图如图7所示，其均方根误差为 0.12 m，平均误差为 0.10 m。验证结果表明，ICESat-2卫星测高在测量长江三峡水位方面可以达到比较高的精度，可以作为低成本获取大范围水位资料的重要方法。
3.3 影响因素
在所有卫星过境日期内，最大的误差出现在2019年11月4日、2020年8月3日、2021年7月13日等。通过查阅资料发现，这几天的实测水位一天内最大变化大于30 cm。实测水位一般选择早上08:00:00的数据，而ICESat-2的卫星过境时间不一定是同一时间，较大的时间差可能会造成比较大的误差。其次，河流不同于湖泊和水库，水面每时每刻都在发生变化，对瞬时水位的测量精度有较大影响。
ICESat-2测高数据计算的的水位与实测水位相比存在误差，分析其时间和空间等影响因素，可能是以下原因：①误差大的点一般出现在7月和8月等降雨比较多的时期，该时间段内长江三峡水位变化较大，对测量的精度会有影响；②水文站点的位置是不变的，但ICESat-2激光脚点沿轨道分布不会在同一个地方，当某些测点距离水文站点比较远时会影响验证结果；③数据处理中高程基准的统一并不能完全消除系统误差；④激光脚点并不是全落在干流水面上，返回的数据信号中存在一些来自陆地海岸或其他地方反射的虚假信号，这种虚假的水位信息对结果也会产生影响。
4 结束语
长江是我国第一大河，是我国水量最丰富的河流，流经11个省级行政区。因此，获得其高精度水位变化数据，对监测长江水位、水情预报、防灾减灾、水路通航、生态监测等具有重要意义。本文利用ICESat-2卫星测高数据，提取了长江三峡区域2018年10月—2021年7月的水位数据，并利用水文站实测数据进行了精度验证。结果表明，长江三峡水位具有明显的季节变化，上半年水位降低，下半年水位升高。长江三峡上游2019—2020年年平均水位下降约4.4 m，年内水位变化最大约30 m。长江三峡下游2019—2020年年平均水位上升0.6 m，年内水位变化最大为5 m。通过与实测水位对比分析，其平均误差为0.10 m，均方根为 0.12 m，与水文站实测水位的相关性可达 0.999。由此可见，通过ICESat-2测高卫星可以获取高精度长江三峡的水位数据，是监测河流水位变化的有效方法。
作为ICESat的后继星，ICESat-2在监测海平面、海冰变化，测量三维地表信息、植被冠层高度等方面有广泛的应用。同时，通过ICESat-2激光测高，能获取大范围、高精度、长时间的内陆水体水位资料。如果再结合其他遥感数据，可以获得更高精度和更高分辨率的地球资料。利用这些资料，能更好地研究湖泊和河流水位变化以及预测气候和环境变化。
（原文有删减）
作者简介：郭孝祖（1998—），男，甘肃天水人，硕士研究生，主要研究方向为卫星测高与应用。
E-mail: 20201248045@nuist.edu.cn
基金项目：中科院先导A专项课题项目(XDA23040100)
通信作者：金双根 教授 E-mail: sgjin@nuist.edu.cn
引用格式：郭孝祖,金双根.利用ICESat-2激光测高监测长江三峡水位变化[J].测绘科学,2022,47(07):21-26.DOI:10.16251/j.cnki.1009-2307.2022.07.004.
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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